(57)【要約】【課題】  直列に連なった状態のゲルを生成可能なゲル製造装置を提供する。【解決手段】  第１の流体を噴射する流体噴射部と、第２の流体を所定の方向に流動させる流動部と、前記流体噴射部の動作を制御する制御部と、を備えるゲル製造装置であって、前記制御部は、流動する前記第２の流体中に前記第１の流体を噴射して第１のゲルを生成し、前記第２の流体中で前記第１のゲルの一部と接触するように、流動する前記第２の流体中に前記第１の流体を噴射して第２のゲルを生成し、前記第１のゲルと前記第２のゲルとが直列に連なった状態のゲルを生成する。【選択図】  図４
2013128872.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の流体を噴射する流体噴射部と、
第２の流体を所定の方向に流動させる流動部と、
前記流体噴射部の動作を制御する制御部と、
を備えるゲル製造装置であって、
前記制御部は、
流動する前記第２の流体中に前記第１の流体を噴射して第１のゲルを生成し、
前記第２の流体中で前記第１のゲルの一部と接触するように、流動する前記第２の流体中に前記第１の流体を噴射して第２のゲルを生成し、
前記第１のゲルと前記第２のゲルとが直列に連なった状態のゲルを生成する
ことを特徴とするゲル製造装置。
【請求項２】
請求項１に記載のゲル製造装置であって、
前記流体噴射部から前記第１の流体が断続的に噴射される際の周波数をｆ、前記第１の流体によって形成されるゲルの直径をｄ、前記第２の流体の流動速度をｖとするとき、
ｖ／ｆ≦ｄ
の関係を満たす、ことを特徴とするゲル製造装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のゲル製造装置であって、
前記流動部は、前記第２の流体の流動方向が直線方向となる部分を有するように流動させる、ことを特徴とするゲル製造装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載のゲル製造装置であって、
前記流動部は、前記第２の流体を渦状に回転流動させる、ことを特徴とするゲル製造装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のゲル製造装置であって、
前記第１の流体は多糖類または蛋白質類を含む水溶液であり、
前記第２の流体は多価金属塩を含む水溶液であり、
前記第１の流体を前記第２の流体と接触させて硬化反応によりゲルを生成する、ことを特徴とするゲル製造装置。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかに記載のゲル製造装置であって、
前記第１の流体は、冷却されることによってゲル化する液体であり、
前記第２の流体は、前記第１の流体を冷却する液体であり、
前記第１の流体を前記第２の流体と接触させて冷却することによりゲルを生成する、ことを特徴とするゲル製造装置。
【請求項７】
請求項１〜４のいずれかに記載のゲル製造装置であって、
前記第１の流体は、酵素反応によってゲル化する液体であり、
前記第２の流体は、酵素を含んだ水溶液であり、
前記第１の流体を前記第２の流体と接触させて酵素反応によりゲルを生成する、ことを特徴とするゲル製造装置。
【請求項８】
請求項１〜７いずれかに記載のゲル製造装置で製造された医療用ゲル。
【請求項９】
所定の方向に流動する第２の流体に第１の流体を噴射して第１のゲルを生成する工程と、
前記第２の流体中で前記第１のゲルの一部と接触するように、流動する前記第２の流体中に前記第１の流体を噴射して第２のゲルを生成する工程と、
を有し、前記第１のゲルと前記第２のゲルとが直列に連なった状態のゲルを生成する、ゲル製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゲル製造装置、医療用ゲル、及び、ゲル製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ゲルの材料となる液体（ゲル材）を、該液体をゲル化させるゲル化材に向けて吐出する液滴吐出法により、ゲルを製造する方法が知られている。例えば、静止した状態のゲル化材に対して、一定の間隔を空けてゲル材を吐出する吐出口（ノズル）を配置する。そして、液滴吐出法によりノズルから吐出されるゲル材の液滴と、静止した状態のゲル化材とを反応させてゲルを製造する方法及び装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２３２１７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の方法によれば、液滴の吐出量を調整することで所望の大きさのゲルを生成することができる。特に、微小なサイズのマイクロカプセル等を生成することができる。
【０００５】
近年では、このようなゲルを生成する原料となる液体（ゲル材）を適当に選択することにより、医療分野や食品分野へ応用することが期待されている。そのような中で、複数のゲルを糸状（繊維状）に連ならせて利用することが考えられている。例えば、手術を行なう際の縫合に用いられる糸や、神経組織等の生体材料として、糸状のゲルを用いることが考えられている。しかし、従来のゲル製造方法では、単体のゲルを個々に生成することは可能であっても、直列に連なった状態のゲル（糸状のゲル）を生成することは困難であった。
【０００６】
本発明では、直列に連なった状態のゲルを生成可能なゲル製造装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための主たる発明は、第１の流体を噴射する流体噴射部と、第２の流体を所定の方向に流動させる流動部と、前記流体噴射部の動作を制御する制御部と、を備えるゲル製造装置であって、前記制御部は、流動する前記第２の流体中に前記第１の流体を噴射して第１のゲルを生成し、前記第２の流体中で前記第１のゲルの一部と接触するように、流動する前記第２の流体中に前記第１の流体を噴射して第２のゲルを生成し、前記第１のゲルと前記第２のゲルとが直列に連なった状態のゲルを生成することを特徴とするゲル製造装置である。
【０００８】
本発明の他の特徴については、本明細書及び添付図面の記載により明らかにする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】形成される糸状ゲルの概念図である。
【図２】ゲル製造装置１の概略図である。
【図３】噴射ヘッド１１の構造を説明する断面図である。
【図４】ゲル生成動作の概要について時系列順に説明する図である。
【図５】図５Ａ〜図５Ｃは、隣り合う液滴同士の間隔Ｐと液滴の直径ｄとの関係を説明する図である。
【図６】アルギン酸ナトリウムの説明図である。
【図７】アルギン酸ナトリウムからアルギン酸カルシウムゲルへ変化する中間の様子を示す説明図である。
【図８】アルギン酸カルシウムゲルの説明図である。
【図９】第１実施形態の変形例におけるゲル製造装置１の概略図である。
【図１０】ゲル製造装置２の概略図である。
【図１１】第３実施形態で生成される糸状ゲルの例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本明細書及び添付図面の記載により、少なくとも、以下の事項が明らかとなる。  
【００１１】
第１の流体を噴射する流体噴射部と、第２の流体を所定の方向に流動させる流動部と、前記流体噴射部の動作を制御する制御部と、を備えるゲル製造装置であって、前記制御部は、流動する前記第２の流体中に前記第１の流体を噴射して第１のゲルを生成し、前記第２の流体中で前記第１のゲルの一部と接触するように、流動する前記第２の流体中に前記第１の流体を噴射して第２のゲルを生成し、前記第１のゲルと前記第２のゲルとが直列に連なった状態のゲルを生成することを特徴とするゲル製造装置。
このようなゲル製造装置によれば、直列に連なった状態の糸状（繊維状）ゲルを高精度に生成することができる。
【００１２】
かかるゲル製造装置であって、前記流体噴射部から前記第１の流体が断続的に噴射される際の周波数をｆ、前記第１の流体によって形成されるゲルの直径をｄ、前記第２の流体の流動速度をｖとするとき、ｖ／ｆ≦ｄ、の関係を満たすことが望ましい。
このようなゲル製造装置によれば、複数のゲルを生成する際に、連続して形成される２つのゲル同士が隣り合って接触しやすくなる。隣り合うゲル同士が次々に結合していくことにより、複数のゲルが直列に連なって結合した形状の糸状ゲルが生成されやすくなる。
【００１３】
かかるゲル製造装置であって、前記流動部は、前記第２の流体の流動方向が直線方向となる部分を有するように流動させることが望ましい。
このようなゲル製造装置によれば、第２の流体の流動速度が一定に保たれやすく、安定して糸状ゲルを生成することができる。また、第２の流体の流動方向が直線方向であれば、生成された糸状ゲルが第２の流体中を流動する間に絡まることを抑制しやすくなる。
【００１４】
かかるゲル製造装置であって、前記流動部は、前記第２の流体を渦状に回転流動させることが望ましい。
このようなゲル製造装置によれば、ゲルを生成するために必要な第２の流体の量が少なくなり、ゲル製造コストを節約することができる。また、ゲル製造装置をコンパクトに構成することができるので、省スペース化を図れる。
【００１５】
かかるゲル製造装置であって、前記第１の流体は多糖類または蛋白質類を含む水溶液であり、前記第２の流体は多価金属塩を含む水溶液であり、前記第１の流体を前記第２の流体と接触させて硬化反応によりゲルを生成することが望ましい。
このようなゲル製造装置によれば、人体に無害で医療分野等に対する応用性が高い糸状のゲルを生成することができる。また、親水性のゲルによるシェルを形成することが可能であるため、保水性能が高く、また、外部環境との間で浸透圧調整が容易な糸状ゲルを生成することができる。
【００１６】
かかるゲル製造装置であって、前記第１の流体は、冷却されることによってゲル化する液体であり、前記第２の流体は、前記第１の流体を冷却する液体であり、前記第１の流体を前記第２の流体と接触させて冷却することによりゲルを生成することによりゲルを生成することが望ましい。
このようなゲル製造装置によれば、冷却温度を調整することによって硬さを自由に調節することが可能なゲルを製造することができる。また、第２の流体として水を用いることができるので、材料のコストを安価に抑えることができる。
【００１７】
かかるゲル製造装置であって、前記第１の流体は、酵素反応によってゲル化する液体であり、前記第２の流体は、酵素を含んだ水溶液であり、前記第１の流体を前記第２の流体と接触させて酵素反応によりゲルを生成することによりゲルを生成することが望ましい。
このようなゲル製造装置によれば、第１の流体の濃度や第２の流体中に含まれる酵素の濃度を調整することによって生成される糸状ゲルの硬さを由に調節することができる。また、医療やバイオテクノロジー等、様々な分野への応用が可能となる。
【００１８】
また、かかるゲル製造装置で製造された医療用ゲルが明らかなる。
このような医療用ゲルによれば、長さや太さを自由に調整可能な糸状ゲルが製造できるため、手術用の糸や生体組織として利用することができる。
【００１９】
また、所定の方向に流動する第２の流体に第１の流体を噴射して第１のゲルを生成する工程と、前記第２の流体中で前記第１のゲルの一部と接触するように、流動する前記第２の流体中に前記第１の流体を噴射して第２のゲルを生成する工程と、を有し、前記第１のゲルと前記第２のゲルとが直列に連なった状態のゲルを生成する、ゲル製造方法が明らかとなる。
【００２０】
＝＝＝第１実施形態＝＝＝
＜ゲルについて＞
本実施形態では、ゲルの原料となる第１の流体を噴射することにより流体滴を形成し、当該流体滴を第２の流体と接触させ、流体滴の一部若しくは全体を硬くする（硬化させる）ことによってゲルを生成する。この場合、流体滴がほぼ球状に形成されるため、生成されるゲルも球に近い形状となる。なお、第１の流体によって形成される流体滴の一部を第２の流体によって硬化させることにより、「カプセル」の構造を有するゲルを生成することも可能である。
【００２１】
以下の実施形態では、第１の流体及び第２の流体は共に液体であるものとして説明する。第１の流体及び第２の流体の具体的詳細については後で説明する。
【００２２】
本実施形態では、このようにほぼ球状のゲル（カプセル）が直列に複数連なって「糸状」（繊維状）となった形態のゲルを生成する（以下、糸状ゲルとも言う）。図１に本実施形態で形成される糸状ゲルの概念図を示す。図のように、隣り合うゲル同士が斜線で示される部分で互いに結合することによって鎖のように連結し、糸状のゲルが生成される。
【００２３】
＜ゲル製造装置の構成＞
第１実施形態では、第２の流体を所定の方向（例えば直線方向）に流動させながら、該第２の流体に対して第１の流体を噴射するゲル製造装置１を用いて糸状ゲルを生成する。図２に、ゲル製造装置１の概略図を示す。ゲル製造装置は、流体噴射部１０と、流動部２０と、制御部５０とを備える。
【００２４】
また、説明のため、図２に示されるように、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる座標軸を設定する。Ｚ軸は鉛直方向（図２において下向きの方向）であり、Ｘ軸はＺ軸に対して垂直な方向であり、Ｙ軸はＺ軸及びＸ軸に垂直な方向であるものとする。
【００２５】
（液体噴射部１０）
液体噴射部１０は、第１の流体を噴射して液滴を形成する。液体噴射部１０は噴射ヘッド１１と第１流体タンク１２とを有する。
【００２６】
噴射ヘッド１１は第１の流体を所定量ずつ噴射することで、第１の流体の液滴を形成する。本実施形態では、基本的に第１の流体がＺ軸方向（鉛直下向きの方向）に噴射されるものとする。ただし、噴射ヘッド１１はＺ軸方向に対して傾いた方向に第１の流体を噴射させることも可能である。
【００２７】
図３に、噴射ヘッド１１の構造を説明する断面図を示す。本実施形態で、噴射ヘッド１１は、ノズル１１１、ピエゾ素子ＰＺＴ、流体供給路１１２、ノズル連通路１１４（容積室に相当する）、及び、弾性板１１６（ダイアフラムに相当する）を有する。
【００２８】
第１流体タンク１２に貯留された第１の流体は、流体供給路１１２を介してノズル連通路１１４に供給される。圧電素子であるピエゾ素子ＰＺＴには、制御部で生成される複数のパルスを有する電圧信号が、駆動信号として印加される。駆動信号が印加されると、該駆動信号に従ってピエゾ素子ＰＺＴが伸縮し、弾性板１１６を振動させる。そして、ノズル連通路１１４の容積を変化させ、駆動信号の振幅に対応するようにノズル連通路１１４内に供給された第１の流体を移動させる。
【００２９】
第１の流体の移動について具体的に説明する。本願実施形態のピエゾ素子ＰＺＴは、電圧を印加すると図３の上下方向に収縮する特性を有する。駆動信号としてある電圧からより大きい電圧を印加した場合、ピエゾ素子ＰＺＴは図３の上下方向に収縮してノズル連通路１１４の容積を拡大する方向に弾性板１１６を変形させる。このとき、ノズル１１１における流体表面はノズル１１１の内側（図３の上側）方向に移動する。逆に、ある電圧からより小さい電圧を印加した場合、ピエゾ素子ＰＺＴは図３の上下方向に伸長し、ノズル連通路１１４の容積を縮小する方向に弾性板１１６を変形させる。このとき、ノズル１１１の流体表面はノズル１１１の外側（図３の下側）方向に移動する。このように、ノズル連通路１１４の容積を変化させるとノズル連通路１１４における圧力が変動し、ノズル連通路１１４に充填された第１の流体をノズル１１１から噴射することができる。噴射された第１の流体（液体）は、その表面張力により球形（液滴）となる。つまり、ピエゾ素子ＰＺＴに印加される駆動信号の振幅（電圧の大きさ）を変更することによって、噴射される液滴の大きさ（流体の量）を調整することができる。これにより、所望のサイズのゲルを正確に形成することができるようになる。また、ピエゾ素子ＰＺＴに印加される駆動信号の周波数を変更することにより、第１の流体の噴射周期を調整することができる。
【００３０】
なお、第１の流体に酸素分子が溶け込んでいると、この圧力変動の際、ノズル連通路１１４において気泡が生じてしまう。よって、本実施形態において使用される第１の流体は予め溶存空気（酸素）が除去されていることが望ましい。
【００３１】
詳細については後述するが、本実施形態では糸状のゲルを生成するために、液滴の直径ｄと第１の流体の噴射周波数ｆとを正確に調整することが要求される。上述のような圧電素子（ピエゾ素子）であれば、駆動信号の電圧波形を調整することにより、流体の噴射量や噴射タイミングを自由にコントロールしやすくなる。
【００３２】
第１流体タンク１２はゲルの原料となる第１の流体を貯留しておくタンクであり、不図示の流体伝送路を介して噴射ヘッド１１に第１の流体を供給する。
【００３３】
（流動部２０）
流動部２０は、第２の流体を所定の方向に連続的に流動させ、川のような流れを生じさせる。本実施形態で、流動部２０はＸ軸方向に沿って第２の流体を流動させるものとする。流動部２０は流動通路２１と、第２流体タンク２２と、流動機構２３とを有する。
【００３４】
流動通路２１は、Ｘ軸方向に沿って伸びた溝状の装置であり、第２の流体（図の着色部）は当該溝部分を流れることによってＸ軸方向に流動する。流動通路２１は噴射ヘッド１１の鉛直下方向に設置され、噴射ヘッド１１から噴射された第１の流体の液滴が、流動通路２１を流れる第２の流体の液面に着弾するように位置が調整される（図２参照）。なお、流動通路２１の形状は任意であり、例えば、流動通路２１の流路の途中がカーブしていたり、流路の断面形状が変化していたりしてもよい。ただし、第２の流体の流動条件（流動速度）を一定に保つために、流路が直線方向となる部分を有することが望ましい。本実施形態では、流動する第２の流体中でゲル（第１の流体の液滴）同士が結合することにより糸状ゲルが生成される。したがって、流動条件を一定とすることにより、より高精度な糸状ゲルを生成しやすくなるからである。また、第２の流体が直線的に流れることにより生成される糸状ゲルも直線的に流されるため、糸が絡まりにくくなり、長い糸状ゲルを生成しやすくなる。
【００３５】
第２流体タンク２２は第２の流体を貯留する容器であり、流動通路２１に第２の流体を連続的に供給して、第２の流体の流れを生じさせる。
【００３６】
流動機構２３は、第２の流体を流動させつつ、単位時間あたりに流れる第２の流体の量を調整する流水発生装置であり、市販の流水ポンプ等を用いることができる。ただし、流動機構２３を用いることなく第２の流体を所定の速度で流動させることができるのであれば、必ずしも流動機構２３を備えている必要はない。例えば、第２流体タンク２２の水頭圧によって第２の流体が一定量ずつ流動通路２１に供給されたり、流動通路２１がＺ軸方向に傾斜するように配置されていたりする場合には、流動機構２３が無くても第２の流体を流動させることは可能である。
【００３７】
（制御部５０）
制御部５０は、噴射ヘッド１１を駆動させるための電圧波形信号である駆動信号を生成し、ピエゾ素子ＰＺＴに印加することによって、噴射ヘッド１１の駆動を制御し、第１の流体の噴射を制御する。また、流動部２０が流動機構２３を備える場合には、流動機構２３を制御することによって第２の流体の流動速度を制御してもよい。
【００３８】
＜ゲル生成動作について＞
第１実施形態における糸状ゲルの生成動作について説明する。図４に、ゲル生成動作の概要について説明する図を示す。図４の（ａ）〜（ｄ）では、糸状のゲルが生成される過程を時系列順に表している。
【００３９】
まず、流動部２０に沿って所定の方向（図ではＸ軸方向）に速度（流動速度）ｖで流動する第２の流体に対して、鉛直上方に固定された流体噴射部１０から第１の流体が所定量ずつ断続的に噴射される（（ａ）図参照）。図では、１回分の噴射により直径ｄの球状の液滴が形成される。つまり、形成される液滴の直径ｄの大きさは、流体噴射部１０から噴射される第１の流体の量を変更することにより調整することができる。
【００４０】
また、流体噴射部１０は、周波数ｆで第１の流体を断続的に噴射するものとする。つまり、第１番目の液滴が噴射されてから次の液滴（第２番目の液滴）が噴射されるまでの周期が１／ｆで表される。この噴射周波数ｆは、制御部５０によって生成される駆動信号（電圧波形信号）の波形を変更することによって調整することができる。
【００４１】
第１の流体によって形成された液滴（図で第１番目の液滴）は、噴射方向（図ではＺ軸方向）を移動して、第２の流体の液面に着弾する（（ｂ）図参照）。そして、第２の流体と接触することにより接触面（図の斜線部）において化学反応が生じ、液滴（第１の流体）の表面から内部へと徐々にゲル化が進行する。この化学反応（ゲル化反応）の詳細については後で説明する。
【００４２】
また、噴射部１０は周波数ｆで断続的に第１の流体を噴射し続け、（ｂ）図では第３番目の液滴が噴射されている。
【００４３】
（ｂ）図の状態から所定時間ｔが経過した後、第１番目の液滴は第２の流体に流されて、流動方向にｖｔだけ移動する（（ｃ）図参照）。このタイミングで、第２番目の液滴（第１の流体）が第２の流体の液面に着弾する。そして、第２番目の液滴の一部が、第１番目の液滴の一部と接触する。第２番目の液滴は、第２の流体と接触することによりゲル化が進行し、その一部が第１番目の液滴と接触した状態でゲル化する。これにより、（ｃ）図のように２つの球状の液滴が直列に結合したようなゲルが生成される。また、噴射部１０からは第４番目の液滴が噴射されている。
【００４４】
同様に、（ｃ）図の状態から所定時間ｔが経過した後、第１番目の液滴と第２番目の液滴とが結合したゲルは第２の流体に流されて、流動方向にｖｔだけ移動する（（ｄ）図参照）。このタイミングで、第３番目の液滴が第２の流体の液面に着弾し、第２番目の液滴の一部と接触しながらゲル化する。これにより、（ｄ）図のように３つの球状の液滴が直列に結合したようなゲルが生成される。また、噴射部１０からは第５番目の液滴が噴射される。
この動作を繰り返すことにより、球状の液滴が直列に連なった糸状のゲルが生成される。
【００４５】
次に、糸状のゲルが形成される条件について説明する。図５は、隣り合う液滴同士の間隔Ｐと液滴の直径ｄとの関係を説明する図である。
【００４６】
本実施形態において、流体噴射部１０から第１の流体が噴射される際の周波数ｆと、第２の流体の流動速度ｖとが共に一定であれば、隣り合う液滴同士の間隔ＰはＰ＝ｖ／ｆで表される。図５Ａはこの間隔Ｐが液滴の直径ｄよりも大きい場合（Ｐ＞ｄの場合）を表す。この場合、隣り合う液滴と液滴とが接触しないため、液滴はそれぞれ単独の球状ゲルを形成し、糸状のゲルを生成することはできない。
【００４７】
これに対して、図５Ｂは隣り合う液滴同士の間隔Ｐが液滴の直径ｄと等しい場合（Ｐ＝ｄの場合）を表す。この場合、隣り合う液滴と液滴とが接するため、図のように糸状のゲルが生成される。
【００４８】
また、図５Ｃは隣り合う液滴同士の間隔Ｐが液滴の直径ｄよりも小さい場合（Ｐ＜ｄの場合）を表す、この場合も、隣り合う液滴と液滴とが接触するため、糸状のゲルが生成される。さらに、液滴同士の接触部分（図の斜線で示される部分）が大きくなるため、液滴同士の結合がより強くなり、強固な糸状ゲルを生成することができる。但し、隣り合う液滴同士の間隔Ｐが狭くなると問題が生じる。例えば、間隔Ｐが液滴の半径よりも小さい場合（Ｐ＜ｄ／２の場合）、液滴と液滴との接触部分が大きすぎて、液滴同士が団子状の塊になってしまうことから、糸状のゲルを生成することが難しくなる。
【００４９】
これらのことから、次のことが言える。すなわち、本実施形態では、Ｐ＝ｖ／ｆ≦ｄとなる条件において糸状のゲルを形成することができる。したがって、制御部５０はｖ／ｆ≦ｄの関係を満たすように、第１の流体の噴射周波数ｆと第２の流体の流動速度ｖ、及び、第１の流体の噴射量（形成される液滴の径ｄ）の制御を行なう。さらに、ｄ／２＜Ｐ≦ｄの範囲となるように、ｖ、ｆ、ｄの値を調整することが、より望ましい。
【００５０】
＜ゲル生成材料について＞
ゲルを生成する材料である第１の流体、及び、第２の流体について説明する。
【００５１】
（第１の流体について）
本実施形態において、第１の流体としては多糖類、もしくは蛋白質類（例えば、アルギン酸ナトリウム、アルギン酸カルシウム、アルギン酸カリウム、アルギン酸アンモニウム、エチルセルロース、メチルセルロース、ペクチン、ジェランガム、キトサン、コラーゲン、フィブリノーゲン等）を含んだ物質（水溶液）が用いられる。アルギン酸塩類は人体に対してほぼ無害であり、ゲル材として使用することにより医療分野などへの応用性の範囲が広くなる。
【００５２】
また、第１の流体は有効成分（例えば、ハイドロキノン、セラミド、牛血清アルブミン、γ−グロブリン、リピオドール、ビフィズス菌、ビタミン、ヒアルロン酸、ＩＰＳ細胞等）を含んでいてもよい。
【００５３】
本実施形態では、上述したように噴射された第１の流体の液滴がそのままゲル（カプセル）となるため、材料の歩留まりが非常に高い。したがって非常に高価な物質を材料として使用しなければならない場合（例えば、生体組織として利用可能な繊維状のゲルを生成する際に、医療用材料を原料としてゲルを生成する場合）等において、コストの面で非常に効果的である。また、使用される流体の量が最適化できるため、廃棄される流体の量が少なく環境保護という観点でも有効である。
【００５４】
（第２の流体について）
本実施形態において、第２の流体として、ゲル化誘発因子を持つような多価金属塩（例えば、塩化カルシウム、酢酸カルシウム、硝酸カルシウム、クエン酸カルシウム、乳酸カルシウム、炭酸カルシウム等のカルシウム塩を含むものや、塩化アルミニウム、硝酸アルミニウム、硫酸アルミニウム、酢酸アルミニウム、リン酸アルミニウム等のアルミニウム塩、塩化マンガン、硝酸マンガン、酢酸マンガン、硫酸マンガン等のマンガン塩、塩化マグネシウム、硝酸マグネシウム、酢酸マグネシウム、硫酸マグネシウム等のマグネシウム塩、リン酸第一鉄、リン酸第二鉄等の鉄塩等）を含む物質（水溶液）が用いられる。
【００５５】
本実施形態では、第１の流体が第２の流体と接触して架橋反応、重合反応、高分子反応といった化学反応を生じることにより、第１の流体による液滴の表面部分から硬化（ゲル化）する。なお、ここで言う「硬化（ゲル化）」とは粘度が高くなる状態も含む。
【００５６】
次に、第１の流体としてアルギン酸ナトリウム水溶液を用い、第２の流体として塩化カルシウム水溶液を用いた場合に生じる化学反応について説明する。図６は、アルギン酸ナトリウムの説明図である。図７は、アルギン酸ナトリウムからアルギン酸カルシウムゲルへ変化する中間の様子を示す説明図である。図８は、アルギン酸カルシウムゲルの説明図である。
【００５７】
図６に示されるように、アルギン酸ナトリウム（Ｃ６Ｈ７Ｏ６Ｎａ）はアルギン酸に１価のナトリウムイオンが結合している。このアルギン酸ナトリウムが塩化カルシウム（ＣａＣｌ２）水溶液にと接触すると、２価のカルシウムイオン（Ｃａ２＋）が、アルギン酸ナトリウムのナトリウムイオン（Ｎａ＋）と置換されることで、ゲル化が進行する（図７）。このとき、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）は１価であり、カルシウムイオン（Ｃａ２＋）は２価であるので、２個のナトリウムイオン（Ｎａ＋）に対して、１個のカルシウムイオン（Ｃａ２＋）が置換される。このとき、アルギン酸ナトリウムは、２つのアルギン酸ナトリウム間において、２つのナトリウムイオン（Ｎａ＋）が脱離して、２価の金属イオンである１つのカルシウムイオン（Ｃａ２＋）に置換される（図８）。そして、２つのアルギン酸間を橋架けする架橋凝縮が生じ、ゲル化（硬化）する。このような化学反応は架橋反応とも呼ばれる。
【００５８】
ところで、図８には、破線で囲われた領域が示されている。アルギン酸カルシウムゲルでは、この破線で囲われた領域を通じてゲルの内部から外部へ水分子が移動したり、外部から内部へと水分子が移動したりする。このように破線で囲われた領域に水分子が存在することにより、弾力性のあるゲルが実現されている。そして、ゲルにおける水分子の流入量と流出量は均衡している。本実施形態において、親水性を有するゲルが形成されることによって、生体組織として用いる場合等において生体親和性が高いゲルを生成することができる。また、親水性のゲルであることから、当該ゲルと外部環境との間でゲルを介した浸透圧の調整が容易になるという利点もある。
【００５９】
＜第１実施形態の効果＞
第１実施形態では、川のように所定方向に連続して流動する第２の流体に対して、断続的に第１の流体を噴射することで液滴を形成する。そして、１番目の液滴が第２の流体中を流動する間に、２番目の液滴を１番目の液滴と接触させることにより、２つの液滴が結合したゲルを生成する。この動作を繰り返すことで、複数の液滴（ゲル）が直列に連なった状態の糸状ゲルを生成することができる。
【００６０】
また、第２の流体を直線的に流すことにより、生成された糸状のゲルを絡まりにくくすることができるので、所望の長さの糸状ゲルを生成しやすくなる。
【００６１】
＜変形例＞
図２では、ゲル製造装置１の流体噴射部１０（噴射ヘッド１１）が１つのノズルを有する構成について説明されていたが、液体噴射部１０が複数のノズルを備える構成としてもよい。図９に、変形例におけるゲル製造装置１の概略図を示す。
【００６２】
変形例の流体噴射部１０は、第２の流体の流動方向と交差する方向に並ぶ複数のノズルを有する。図９の場合、Ｘ軸方向に流動する第２の流体に対して、Ｙ軸方向に並ぶ複数のノズルからそれぞれ第１の流体が噴射される。複数の液滴（第１の流体）を同じタイミングで噴射することができるので、同時に複数の糸状ゲルが生成され、より効率的に糸状ゲルを生成できるようになる。なお、流動部２０の流動通路２１を直線状にしておけば、第２の流体の流動が層流の流れになりやすくなるため、複数の糸状ゲルが互いに絡まりあうことを抑制することができる。
【００６３】
＝＝＝第２実施形態＝＝＝
第２実施形態では、渦巻状に流動する第２の流体に対して第１の流体を噴射するゲル製造装置２を用いて糸状ゲルを生成する。
【００６４】
＜ゲル製造装置の構成＞
図１０は、ゲル製造装置２の概略図である。ゲル製造装置２では、流動部２０の構成がゲル製造装置１とは異なる。流体噴射部１０及び制御部５０の構成はゲル製造装置１と同様である。
【００６５】
（流動部２０）
ゲル製造装置２の流動部２０は、流動容器２５と、スターラー２６とを有する。
流動容器２５は図１０に示されるように上部が開口された円筒形の容器であり、内部に第２の流体を液体状に貯留する。そのため、流動容器２５は第２の流体と接触しても化学反応を生じないガラス等の材質で形成される。また、流動容器２５は流体噴射部１０の鉛直下方に設置され、流体噴射部１０から噴射された第１の流体が、流動容器２５の内部に貯留された第２の流体中に着弾するように位置が調整される。設置位置の調整の詳細は後で説明する。
【００６６】
スターラー２６は、動力部２６１と回転子２６２とを有する。動力部２６１は流動容器２５の下側に設けられ、磁力によって回転子２６２をＸＹ平面と平行な平面上で回転させる。その際、回転子２６２の回転速度や回転方向を調整することが可能である。
【００６７】
回転子２６２は細長い棒状の部材であり、流動容器２５の内部に設けられる。そして、動力部２６１によって回転されることにより、流動容器２５の内部に貯留された第２の流体（液体）を渦状に流動させる。ここで、回転子２６２の回転中心は、流動容器２５の中心位置と一致するように調整され、第２の流体は流動容器２５の中心軸周りを渦状に流動する。
【００６８】
＜ゲル生成動作について＞
第２実施形態において、第１の流体、及び、第２の流体は、第１実施形態と同様の物質を用いることができる。
【００６９】
第２実施形態における糸状ゲルの生成動作は、基本的に第１実施形態と同様である。但し、本実施形態では第２の流体が渦状に回転流動している。すなわち、第２の流体の流動速度ｖは、流体噴射部１０のノズル１１１と対向する位置における第２の流体の回転方向の速度で表される。図１０においては、流体噴射部１０から鉛直下方（Ｚ軸方向）に第１の流体が噴射される。したがって、第１の流体が、第２の流体の回転中心からｒだけ離れた位置に着弾する場合、流動容器２５の中心から半径ｒの円周の接線方向における速度が、第２の流体の流動速度ｖとなる（図１０参照）。
【００７０】
第１の流体の噴射周期（１／ｆ）と、形成される液滴の直径（ｄ）の条件は第１実施形態と同様であるので、ｄ≧ｖ／ｆ（＝Ｐ）となるように、各値を制御することで、球状のゲルが直列に連なったゲル（糸状のゲル）を生成することができる。
【００７１】
なお、本実施形態では実際に回転流動している第２の流体の流動速度ｖを測定することは困難である。したがって、最適な流動速度ｖが実験的に調整される。具体的には、周波数ｆ、及び液滴の直径ｄを一定とした状態で、スターラー２６の回転速度を変更しながらゲルを生成し、ゲルが糸状に連結するときの条件（回転条件）が求められる。
【００７２】
また、本実施形態ではスターラー２６を用いて第２の流体を渦状に回転流動させるため、第２の流体の液面が平面にならない部分が生じる場合がある。例えば、回転の中心（流動容器２５の中心）付近では第２の流体の液面がすり鉢のような形状（漏斗状）になり、液面に歪が生じやすい。液面に歪が生じている部分（水平にならない部分）に第１の流体が噴射されると、高精度な糸状のゲルを生成できないおそれがある。そこで、本実施形態では、回転流動する第２の流体の液面がほぼ水平となる部分に、第１の流体の液滴が着弾するように、液体噴射部１０と流動部２０（流動容器２５）との位置関係が調整される。
【００７３】
＜第２実施形態の効果＞
第２実施形態では、第２の流体を渦状に流動させながら糸状のゲルを生成する。第１実施形態では第２の流体を直線的に流動させていたため、大量の流体を連続的に流す必要があった。一方、本実施形態では、流動部２０の流動容器２５に貯留される分量の第２の流体があればゲルを生成することができる。すなわち、使用される第２の流体の量を節約することができ、ゲルの製造コストを安くすることができる。
【００７４】
また、第１実施形態と比較して流動部２０の設置面積が小さいため、ゲル製造装置の構成がコンパクトになり、省スペース化が図れる。
【００７５】
＝＝＝第３実施形態＝＝＝
第３実施形態では、流体噴射部１０から噴射される第１の流体の量を変更しながら、糸状のゲルを生成する。第１の流体の噴射量を変更することにより、形成される液滴の直径ｄも変更される。すなわち、大きさの異なる液滴が直列に連なることで、太さが一様でない糸状ゲルを生成することができる。第３実施形態で用いるゲル製造装置は上述のゲル製造装置１または２と同様である。
【００７６】
図１１に、第３実施形態で生成される糸状ゲルの例を示す。第３実施形態では、図のように途中で太さが変化する糸状ゲルが生成される。例えば、図１１の（ａ）の場合、途中までは直径ｄの液滴によって糸状ゲルが形成され、途中から直径１．５ｄの液滴によって糸状ゲルが形成される。すなわち、途中から太さが１．５倍に変化するような糸状ゲルを生成することができる。
【００７７】
また、図１１の（ｂ）の場合、糸状ゲルを形成する複数の液滴のうちで、一部のゲルの直径が２ｄで、その他のゲルの直径がｄとなっている。例えば、糸状ゲルを生体組織として利用する際に、一部のゲルの内部に細胞組織を封入させたい場合がある。このような場合、該細胞組織を封入するゲルは所定の大きさ以上とする必要がある。封入容器となるゲルが小さすぎると細胞組織が死滅してしまうおそれがあるからである。したがって、図１１に示されるような、部分的に大きなゲルを含む糸状のゲルを生成する必要性が生じる場合がある。
【００７８】
本実施形態では、流体噴射部１０から噴射される第１の流体の量を変更することにより、所望の大きさ（直径ｄ）の液滴を生成することができる。第１の流体の噴射量は、噴射ヘッド１１のピエゾ素子ＰＺＴに印加される駆動信号の波形を変更することによって調整される。
【００７９】
なお、糸状のゲルを生成するためには、上述のようにｄ≧ｖ／ｆ（＝Ｐ）を満たす必要があるが、第２の流体の流動速度ｖを調整することは難しい。そこでｄの大きさに応じて、第１の流体の噴射周波数ｆを調整することによってｄ≧ｖ／ｆの条件を満たすようにする。周波数ｆもピエゾ素子ＰＺＴに印加される駆動信号の波形を変更することによって調整することができる。
【００８０】
＜第３実施形態の効果＞
第３実施形態では、第１の流体の噴射量及び、噴射時の周波数を変更することにより、大きさ（直径）の異なるゲル同士が直列に連なった状態のゲル（糸状のゲル）が生成される。これにより、部分的に太さの異なる糸状のゲルを生成することができる。
【００８１】
＝＝＝第４実施形態＝＝＝
上述の各実施形態では、第１の流体と第２の流体とを接触させて化学反応を生じさせることにより、第１の流体をゲル化させていた。これに対して、第４実施形態では、第１の流体を冷却することによりゲル化させる。第４実施形態で用いる製造装置は上述のゲル製造装置１または２と同様である。
【００８２】
本実施形態では、第１の流体としてゼラチンや寒天等、常温時（若しくは高温時）には液体状であるが、冷却するとゲル化して硬くなる（ゲル化する）物質を用いる。そして、第２の流体として第１の流体を冷却する液体を用いる。例えば、冷たい水を用いることができる。なお、第２の流体は、第１の流体と化学反応せず、第１の流体を冷却することができるのであれば、水以外の物質を用いることも可能であるが、水を用いることにより、コストを安く抑えることができ、また、流体の扱いが容易になる。
【００８３】
ゲルを製造する際には、ゲル製造装置１または２を用いて、断続的に噴射される第１の流体（例えばゼラチン）の液滴を第２の流体（例えば冷却水）と接触させることにより、ゼラチンを冷却してゲル化させる。これにより、糸状のゲルを生成することができる。その際、冷却に用いる第２の流体の温度を変更することにより、ゲルの硬さを調節することが可能である。本実施形態では、第２の流体を１０℃以下の所定の温度に保つことで、第１の流体を冷却する。なお、ゼラチンを安定してゲル化させるためには、第２の流体の温度の範囲は２℃〜６℃程度とすることが望ましい。そのため、流動部２０の温度を調節するための冷却装置（不図示）を設けてもよい。ただし、第１の流体をゲル化させることができるのであれば、第２の流体の温度を１０℃より高くすることも可能である。また、ゼラチンの濃度を変更することによってもゲルの硬さを調整することができる。
【００８４】
本実施形態において、コラーゲンを主成分とするゼラチンを用いて糸状ゲルを生成することにより、上述のような医療分野への応用の他に、コラーゲンの保湿成分を利用した化粧品等にも応用しやすくなる。
【００８５】
＜第４実施形態の効果＞
第４実施形態では、冷却することによってゲル化する液体を用いて糸状のゲルを生成する。第２の流体として水を用いることができるため、材料コストが安く、入手や扱いも容易となる。また、温度によって簡単にゲルの硬さを調整することができるため、用途に応じて所望の硬さの糸状ゲルを生成することができる。
【００８６】
＝＝＝第５実施形態＝＝＝
第５実施形態では、第１の流体を酵素反応によりゲル化させる。第５実施形態で用いる製造装置は上述のゲル製造装置１または２と同様である。
【００８７】
本実施形態では、第１の流体としてフィブリノーゲン等、液体状であるが、酵素反応によりゲル化して固くなる物質を用いる。そして、第２の流体として酵素を含んだ溶液を用いる。
【００８８】
ゲルを製造する際には、ゲル製造装置１または２を用いて、断続的に噴射される第１の流体（例えばフィブリノーゲン水溶液）の液滴を第２の流体（酵素溶液）と接触させることにより、フィブリノーゲンを酵素反応させてゲル化させる。これにより、糸状のゲルを生成することができる。その際、反応に用いる第２の流体の酵素濃度を変更することにより、ゲルの固さを調節することが可能である。また、フィブリノーゲンの濃度を変更することによってもゲルの固さを調整することができる。
【００８９】
本実施形態において、フィブリノーゲン水溶液を用いて糸状ゲルを生成することにより、上述のような医療分野への応用の他に、細胞培養などのバイオテクノロジー分野にも応用しやすくなる。
【００９０】
＜第５実施形態の効果＞
第５実施形態では、酵素反応によってゲル化する液体を用いて糸状のゲルを生成する。第１の流体や第２の流体の濃度を変更することによって簡単にゲルの硬さを調整することができるため、用途に応じて所望の固さの糸状ゲルを生成することができる。また、様々な分野への応用が可能となる。
【００９１】
＝＝＝その他の実施形態＝＝＝
一実施形態としてのゲル製造装置を説明したが、上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることは言うまでもない。以下に述べる実施形態であっても、本発明に含まれるものである。
【００９２】
＜ゲル生成材料について＞
前述の各実施形態では、第１の流体及び第２の流体についてそれぞれ具体例が例示されていたが、例示された以外のゲル生成材料を用いて糸状ゲルを生成することも可能である。
【００９３】
＜糸状ゲルの用途について＞
前述の各実施形態では、糸状ゲルの用途として手術用の糸や生体組織をはじめとする医療用材料としての用途について説明されていたが、例示された以外にも幅広い用途に糸状ゲルを利用することができる。例えば、化粧品としての用途や、機能性食品としての用途等が考えられる。
【００９４】
＜流体噴射部１０について＞
前述の各実施形態では、第１の流体の液滴を噴射する液体噴射部として、圧電素子（ピエゾ素子ＰＺＴ）が用いられていたが、他の機構を用いた液体噴射部であってもよい。例えば、シリンジを押すことによって液体を滴下するディスペンサを用いた機構、静電アクチュエーターを用いた液体噴射機構、静電吸引方式を用いた液体噴射機構、音響エネルギーを用いた液体噴射機構等、種々の機構を用いることができる。その際、噴射される第１の流体の量、噴射周期を任意に変更できる機構であることが望ましい。
【符号の説明】
【００９５】
１、２  ゲル製造装置、
１０  液体噴射部、１１  噴射ヘッド、１２  第１流体タンク、
２０  流動部、２１  流動通路、２２  第２流体タンク、２３  流動機構、
２５  流動容器、２６  スターラー２６、２６１  動力部、２６２  回転子、
５０  制御部
【図１】
2013128872.tif 000003
【図３】
2013128872.tif 000004
【図５】
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【図６】
2013128872.tif 000006
【図７】
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【図８】
2013128872.tif 000008
【図１１】
2013128872.tif 000009
【図２】
2013128872.tif 000010
【図４】
2013128872.tif 000011
【図９】
2013128872.tif 000012
【図１０】
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